Diseño de un circuito Wake-up para redes de sensores inalámbricas

Diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas

Autor: Anderson Manuel RochaTutores: Dr. Sunil Lalchand Khemchandani

D. Dailos Ramos Valido

• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras

Índice

Red de sensores inalámbrica o wireless sensor network (WSN)

Introducción

Aplicaciones

• Eficiencia energética• Entornos de alta seguridad• Control ambiental • Medicina • Domótica

Requisitos para la implementación de una WSN

• Bajo costo • Tamaño pequeño• Bajo consumo

Introducción

Categoría de las redes de sensores inalámbricas

• Esquema síncrono • Esquema asíncrono • Esquema pseudo-asíncrono

Consideraciones de diseño

• Buena integración del sistema• Entorno de red • Optimización de la potencia activa

Introducción

Clasificación de los receptores wake-up

Introducción

Fuente de energía

Pasiva

Activa

Tipo de señal wake-up

Radio

Acústica

Canal wake-up

Compartido

Independiente•Canal único•Canal múltiple

Especificación del nodo destino

Identity-Based

Range-Based

• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones

Índice

Objetivo

Soluciones para el diseño del WUR

Objetivo


Índice

Implementación del WUR

Generación de la señal wake-up en ADS


Diodos Schottky HSMS-285x de Avago


Circuito con diodos rectificadores y filtro RC


Adaptación de impedancias


Tensión mínima de portadora para sensibilidad de 80 µVrms




Índice

Diseño de la PCB

Características del sustrato FR4-370hr de Isola

• H: Espesor del sustrato = 1.5 mm• Er: Constante relativa del sustrato = 5.65• Mur: Permeabilidad relativa = 1• Cond: Conductividad del conductor = 5.81e7• T: Espesor del conductor = 0.001 in• TanD: Pérdidas del dieléctrico = 0.016• Rough: Rugosidad del conductor = 1.8 µm

Diseño del WUR en una PCB

Modelado de las pistas

A = 1.6939 y W/d = 1.5769 sustituyendo d, w = 2.523mm



Modelado de las pistas en ADS


Diseño de la PCB con Altium



WUR en una PCB



Índice

Implementación del módulo digital

Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments

Descripción general


Sistema de reloj flexible


Ultra-bajo consumo

Herramientas de software del MSP430


Arquitectura AS3933 de AMS


Descripción general del AS3933

• Rango de frecuencia de la portadora entre 15-150 kHz• Alimentación con 2.4 a 3 V• Generador con cristal de 32 kHz• Activación por medio de 3 canales receptores ASK• Activación mediante codificación Manchester (16 bits o 32 bits)

programable • Sensibilidad de activación de 80 µVrms • Consumo de los 3 canales en modo escucha de 1.7 µA• Velocidad de datos ajustable de 0.5 a 4 kbps• Interfaz periférica serie (SPI) bidireccional


Kit AS3933


Protocolo wake-up• Solo detección de frecuencia• Detección de patrón individual• Detección de patrón doble

Configuración del tiempo de espera


Wake-up con detección de frecuencia y de patrón

Implementación del modulo digital

Interfaz SPI


Estructura de los comandos SPI


Escritura de datos


Lectura de datos


Transceptor C1101 de Texas Instruments


• Bajo consumo • Bajo costo• Opera en la banda ISM de 868 MHz• Compatible con la modulación OOK• Tasa de datos configurable hasta 600 kbps• Interfaz periférica serie (SPI)• Compatible con el MSP430


Switch de antena ADG918 de Analog Devices


• Alto aislamiento • Bajas pérdidas de inserción• Bajo consumo de potencia


Control

Camino

0 RF2 a RF common1 RF1 a RF common

Prueba del kit AS3933 con el MSP430


WUR conectado al AS3933 y el MSP430


Flujo de programa


Configuración de los puertos y del USCI en modo SPI

Escritura sobre R0

Escritura sobre R1

Escritura sobre R4

Escritura sobre R7

Configuración de la UART

Mensaje fin de programación AS3933

Habilitar interrupción

MCU en modo bajo consumo

¿Flag de interrupció

n?

MCU activo (enciende LED )

Comando directo Clear_wake-up

No

Sí

Prototipo



Índice

Sensibilidad del WUR

Medidas

Sensibilidad del WUR

Medidas

Adaptación de impedancias

Medidas

Consumo de corriente

Medidas

Distancia de la señal wake-up

Medidas

Potencia transmitida en función de la distancia

Medidas

0 5 10 15 20 25 30 35 40-40-35-30-25-20-15-10-505

1015

Distancia (metros)

Pote

ncia

Tra

nsm

itida

(d

Bm)

Tiempo de vida de la batería

Medidas

Tint

Tanodo


Índice

Nodo de sensor inalámbrico con un WUR pasivo capaz de despertarse con una OOK y un patrón.

Se han aprovechado las características de propagación de señales en alta frecuencia (868 MHz) y el bajo consumo proporcionado por las circuiterías de baja frecuencia (125 kHz).

Para evitar falsos wake-up se ha usado un receptor wake-up AS3933 conectado al WUR.

Se usa el microcontrolador de Texas Instruments MSP430 diseñado para aplicaciones de ultra bajo consumo y bajo coste.

Con el WUR y AS3933 añadido un nodo estándar IEEE802.15.4, la vida de la batería puede aumentar de 3 años a 8 años.

Conclusiones

Se logra mantener el transceptor de radio apagado y encenderlo solo en caso que sea necesario.

Se logra un consumo de corriente de 3 µA en modo dormido y 15 mA en modo recepción.

Se han usado varias herramientas de software tales como, ADS, Altium, CodeComposer, Matlab y diferentes aparatos para las medidas, como el E4440A, el E4438C, el E8257D y el 3458A, todos de Agilent.

El trabajo realizado se enmarca dentro del proyecto CERES BACO: Circuitos Electrónicos para Redes de inalámbricas Sensoriales Ultra Bajo Consumo (TEC2011-28724-C03-02).

Conclusiones


Índice

Integrar una antena en una PCB. Mejorar la adaptación de impedancias del WUR. Integrar el transceptor, el microcontrolador y el

AS3933 en un solo chip.

Líneas futuras

Presupuesto

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Engineering

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